Расчет катализаторов
Катализаторы приводят химический мир в движение. К сожалению, они часто состоят из дорогих драгоценных металлов. Пригодится метод поиска дешевой замены с такими же характеристиками путем недорогих расчетов.
"Химия на самом деле просто физика электронных оболочек", любят говорить некоторые физики. «Если это так, то физика может что-то сделать для химии», - возможно, думали датские химики из окружения Йенса Норскова из Технического университета в Люнгбю. Потому что команда с Крайнего Севера грызла проблему, над которой уже давно бьются промышленные химики всего мира: как сделать дешево то, что до сих пор было только дорого?
Химический шаг, который вас беспокоит, на бумаге выглядит безобидным. Говорят, что этин (C2H2) разрывает одну из трех своих связей между двумя атомами углерода, добавляя водород, и образует этен (C 2 H4) с двойной связью. Небольшой подвиг - если бы не опасность того, что этен поглотит еще больше водорода и прореагирует дальше с образованием этана (C2H6). Имея только одну одинарную связь, этан менее интересен в промышленном отношении, потому что он больше не может быть связан с образованием длинных полимеров.
Задача запуска этой цепочки реакций и своевременного ее обрыва - задача специальных катализаторов в промышленности, имеющих как преимущества, так и недостатки. С положительной стороны, обычный катализатор, изготовленный из сплава палладия и серебра, вполне удовлетворительно проводит гидрирование. С другой стороны, неприятно высокую цену на подключение представители компаний не считают положительной. И поэтому они были бы рады, если бы была дешевая и хорошая замена одним махом. Напряженная (и дорогая) задача поиска для химиков в отделах разработки.
К счастью для искателей, датские исследователи теперь нашли кратчайший путь, который может сэкономить их коллегам часы в лаборатории в будущем. Следуя принципу физиков, они позаимствовали модель из квантовой физики под названием Теория функционала плотности (DFT), которая описывает электронную структуру в молекулах.
С успехом! Потому что расчеты показали, что функция серебра в обычном сплаве заключается, прежде всего, во влиянии на стабильность связанных этина и этилена. Тем не менее, это вряд ли изменит фактический барьер реакции.
Благодаря этим знаниям ученые протестировали другие металлы и сплавы на их адсорбционные свойства и выбрали из богатого предложения сплав никеля и цинка. Новый материал дешевый, прочный, достаточно термостойкий, и он даже должен работать в качестве катализатора лучше, чем его более дорогой предшественник.
Тот факт, что эта надежда была не просто теоретическим заблуждением, был проверен химиками классическим способом с помощью теста на всякий случай. И действительно: счет DFT попал в яблочко. По крайней мере, в лабораторных масштабах никель-цинковый сплав выполнил то, что обещала квантовая физика.
Вместо того, чтобы слепо ковыряться в периодической таблице, химики вскоре могли предварительно отсортировать своих кандидатов с помощью DFT. Сам по себе этот метод недостаточен, поскольку катализаторы должны удовлетворять большому количеству других условий, которые не проявляются ни в одной волновой функции. Тем не менее, довольно простой модели DFT, по-видимому, достаточно для первого взгляда. Физики всегда это знали.